FR2948593A1 - Dispositif de deplacement micrometrique et procede de mise en oeuvre - Google Patents

Abstract

L'invention propose un dispositif de déplacement micrométrique caractérisé en ce qu'il comprend : - un actionneur piézoélectrique de type fléchisseur, - lié à une structure de support et de réglage, - par l'intermédiaire d'un moyen de découplage comprenant : o une masse inertielle o dont une partie est fixée à l'actionneur piézoélectrique, o une autre partie étant fixée à une couche solidaire de la structure de support et de réglage, cette couche étant en matériau à forte capacité d'absorption des vibrations, présentant un facteur de dissipation de l'énergie tan (δ) compris entre 0,5 et 0,7, de préférence entre 0,53 et 0,6, dans une gamme de fréquence de 5 à 1000Hz.

Description

DISPOSITIF DE DEPLACEMENT MICROMETRIQUE ET PROCEDE DE MISE EN îUVRE., L'invention se rapporte à un dispositif de déplacement micrométrique et à un procédé de mise en oeuvre.

Les actionneurs piézoélectriques sont utilisés dans de nombreux domaines techniques. Notamment, on utilise des actionneurs piézoélectriques pour la réalisation de mouvements précis, de l'ordre du micromètre à la centaine de micromètres, d'un objet de faible inertie. La recherche en physique, en optique et en biologie nécessite des actionneurs piézoélectriques de type fléchisseurs permettant d'atteindre de grandes fréquences de battement (fléchissement). Par exemple, chez le rongeur, l'étude du système des vibrisses requiert des fréquences de stimulation allant jusqu'à 1000 Hertz (soit 1000 battements par seconde).

Par ailleurs, dans les microscopes à balayage, une grande vitesse de balayage optique permettrait d'accélérer la cadence d'acquisition des images et l'observation de phénomènes à des échelles temporelles plus courtes. Ainsi, une grande vitesse de déplacement rendrait possible des méthodologies de balayage optique dites intelligentes . Dans ces méthodologies, seuls les points d'intérêt de l'échantillon sont pointés par le dispositif de balayage, ce qui requiert de pouvoir passer très vite d'un point d'intérêt au suivant. Or, actuellement, le déplacement d'actionneurs électroniques de type fléchisseurs (en anglais, de type bender ) ne peut se faire que pour des gammes de fréquence allant de 0 à 100 Hertz (soit 100 battements par seconde). Au-delà de 100 Hertz, les actionneurs fléchisseurs de l'état de la technique entrent en résonnance et ne sont plus utilisables car leur mouvement n'est pas maîtrisé et les commandes de l'actionneur ne sont pas reproductibles. On observe, en effet, une amplification, ou une atténuation selon les cas, de certaines fréquences.

Une solution envisagée consiste à filtrer la commande de l'actionneur par sa fonction de transfert inverse. Une fonction de transfert est une représentation mathématique de la relation entre le signal d'entrée (ou commande) et le 5 signal de sortie (le mouvement de l'actionneur) du dispositif de déplacement micrométrique. Cette technique de correction fréquentielle est classique pour les systèmes linéaires invariants (c'est-à-dire sans élément mobile). Le principe de cette technique est d'acquérir la fonction de transfert de 10 l'actionneur (gain et déphasage jusqu'à la première fréquence de résonnance) afin de pré-filtrer le signal par l'inverse de cette fonction de transfert. Cette solution n'a jamais été envisagée pour les actionneurs fléchisseurs à positionnement réglable (selon un, deux ou trois axes) car la présence d'éléments mobiles dans la structure de l'actionneur (rotule de 15 réglage, moyens de translation de l'actionneur) conduit à des changements dans la fonction de transfert de l'actionneur, en fonction du positionnement spatial des différents éléments mobiles et en fonction du degré de serrage des éléments de fixation dans cette position. Ainsi, au-delà de 100 Hertz, la correction par inversion de la fonction de transfert est instable. 20 Or, dans le cadre d'une utilisation courante, le dispositif de déplacement micrométrique doit pouvoir être réglable en position selon les axes X, Y et Z (voir la figure 3a). L'actionneur piézoélectrique doit donc être solidaire d'éléments mécaniques mobiles. Ainsi, pour que la méthode de filtrage par la fonction de 25 transfert inverse soit efficace, et que l'actionneur puisse être activé à une fréquence supérieure à 100 Hertz, il faudrait mettre à jour la mesure de la fonction de transfert de l'actionneur après chaque réglage du positionnement. Cette contrainte est très lourde car cela implique d'installer un appareil de mesure du mouvement de l'actionneur (par exemple un télémètre laser), et de 30 soumettre l'actionneur à une mesure longue de la fonction de transfert (environ deux minutes pour l'ensemble du processus), ce qui a conduit à l'abandon de cette méthode. Il n'est donc actuellement pas possible d'obtenir des actionneurs de type fléchisseurs, réglables en position, pouvant être activés à 5 une fréquence supérieure à 100 Hertz. Un premier objectif de la présente invention est de fournir un actionneur de type fléchisseur à positionnement réglable, présentant une fréquence de résonnance supérieure à 1000 Hertz. Un deuxième objectif de la présente invention est de proposer un tel actionneur dont le gain est constant. 10 A cette fin, l'invention a pour objet un dispositif de déplacement micrométrique comprenant : - un actionneur piézoélectrique de type fléchisseur, - lié à une structure de support et de réglage, - par l'intermédiaire d'un moyen de découplage comprenant : 15 o une masse inertielle o dont une partie est fixée à l'actionneur piézoélectrique, o une autre partie étant fixée à une couche solidaire de la structure de support et de réglage, cette couche étant en matériau à forte capacité d'absorption des vibrations, 20 présentant un facteur de dissipation de l'énergie tan (b) compris entre 0,4 et 0,7, de préférence entre 0,53 et 0,6, dans une gamme de fréquence de 5 à 1000Hz. Ce dispositif de déplacement micrométrique présente une fréquence de résonnance supérieure à 1000 Hertz. 25 Selon d'autres modes de réalisation : • le matériau à forte capacité d'absorption des vibrations peut être un polymère viscoélastique d'uréthane tel que du sorbothane ; • la masse inertielle peut être en un matériau choisi parmi le plomb, le cuivre, l'acier, et un alliage de masse volumique supérieure à 5000 ; 30 • la structure de support et de réglage peut comprendre : - une rotule de fixation du moyen de découplage, et

- un stylet tubulaire comprenant o une chambre de réception de la rotule, o un tampon de blocage en rotation de la rotule dans sa chambre de réception, et o un moyen réglable de compression du tampon contre la rotule ; • le moyen réglable de compression du tampon contre la rotule peut comprendre un ressort dont une extrémité, destinée à être en contact avec le tampon lors du blocage de la rotule, est fixée à un axe fileté en prise avec un pas de vis porté par une molette de réglage, de telle sorte que lorsque la position de la rotule doit être modifiée, le serrage de la molette bande le ressort afin qu'il cesse d'exercer sa pression sur le tampon de caoutchouc, et lorsque la rotule doit être bloquée, le desserrage complet de la molette de réglage relâche pleinement le ressort qui compresse le tampon de caoutchouc contre la rotule avec une force sensiblement égale à la constante de raideur du ressort. Ce dispositif de déplacement micrométrique présente une fréquence de résonnance supérieure à 1000 Hertz et un gain constant ; • la structure de support et de réglage peut comprendre un 20 micromanipulateur en translation monoaxiale ; et /ou • le micromanipulateur en translation monoaxiale peut comprendre un roulement à billes muni d'au moins deux billes blocables en rotation par serrage au moyen de vis de serrage. L'invention se rapporte également à un procédé de mise en 25 oeuvre du dispositif de déplacement micrométrique précédent, ledit procédé comprenant une phase d'activation de l'actionneur piezoélectrique comprenant la transmission à l'actionneur d'un signal de commande à une fréquence comprise entre 5 et 1000 Hertz, de préférence, comprise entre 100 et 1000 Hertz. 30 Selon d'autres modes de réalisation : • le procédé peut comprendre une phase d'initialisation comprenant les étapes suivantes : a) activer l'actionneur piezoélectrique à une fréquence d'activation initiale ; b) acquérir le gain et le déphasage de l'actionneur à cette fréquence ; c) incrémenter ou décrémenter la fréquence d'activation de l'activateur ; d) répéter les étapes b) et c) jusqu'à ce que la fréquence d'activation soit égale à une première fréquence de résonnance de l'actionneur ; e) établir la fonction de transfert de l'activateur à l'aide des gains et déphasages acquis à l'étape b) ; la phase d'initialisation étant suivie d'une phase d'activation de l'actionneur 15 piezoélectrique comprenant la transmission à l'actionneur d'un signal de commande pré-filtré par l'inverse de la fonction de transfert ; • le procédé peut comprendre une étape de réglage de la pression exercée sur chaque bille du roulement à billes par une vis, afin d'égaliser la position d'un rebond de la fonction de transfert pour toutes 20 les positions de translation ; • le procédé peut comprendre les étapes suivantes : envoyer en continu à l'actionneur (10) une commande sinusoïdale de fréquence constante et proche de la fréquence moyenne du rebond de la fonction de transfert ; 25 mesurer de manière continue la position de l'actionneur ; ajuster la pression effectuée par chaque vis, afin de fixer l'amplitude du mouvement de l'actionneur pour l'ensemble des positions de la translation ; • l'étape de mesure de la position de l'actionneur peut être réalisée à 30 l'aide d'un télémètre laser branché sur un oscilloscope.

Ce procédé permet de conserver le gain homogène et le déphasage nul dans toute la gamme d'utilisation de l'actionneur. II permet également de fixer la position du rebond sur l'ensemble de la trajectoire. La fonction de transfert de l'ensemble 5 actionneur/support est ainsi fixée à travers tout son espace de réglage, à savoir la translation et la rotation D'autres caractéristiques de l'invention seront énoncées dans la description détaillée ci-après, faite en référence aux figures annexées qui représentent, respectivement : 10 - la figure 1, une vue schématique de profil du dispositif de déplacement micrométrique selon l'invention ; - la figure 2, une vue schématique en coupe longitudinale d'une partie de la structure de support du dispositif de déplacement micrométrique selon l'invention ; 15 - la figure 3a, une vue schématique en perspective de l'actionneur piézoélectrique du dispositif de déplacement micrométrique selon l'invention - la figure 3b, trois courbes illustrant le filtrage de la commande par la fonction de transfert inverse du dispositif de déplacement micrométrique 20 selon l'invention ; - la figure 4, six courbes montrant le déphasage et le gain du dispositif de déplacement micrométrique selon l'invention, avec ou sans filtrage de la commande par la fonction de transfert inverse ; - la figure 5a, un histogramme illustrant l'indice de corrélation de Pearson 25 entre la commande et le mouvement du dispositif de déplacement micrométrique selon l'invention, en fonction du nombre de réglages en position ; - la figure 5b, une courbe illustrant les mouvements superposés de l'actionneur piézoélectrique pour quinze positions différentes de la rotule 30 et de translation avec une commande identique ; - la figure 6a, une courbe illustrant la linéarité du gain commande/mouvement pour une fourchette d'amplitude comprise entre 10 et 90% de l'amplitude maximale de commande ; - la figure 6b, une courbe illustrant la reproductibilité de la commande avec 5 plusieurs gains ; et/ou - la figure 7, un diagramme illustrant l'indépendance de mouvement entre l'axe X et l'axe Y. La présente description se rapporte à un actionneur piézoélectrique de type fléchisseur tel que le CMB-2D fabriqué par la société 10 NOLIAC NS (Hejreskovvej 18C, DK-3490 Kvistgaard, Danemark). Bien entendu, l'invention n'est pas restreinte à cet exemple d'actionneur piézoélectrique. L'actionneur CMB-2D possède une amplitude de mouvements de 400 micromètres et une fréquence de résonnance, sans couplage, de 15 plusieurs milliers de Hertz. Le couplage de l'actionneur piézoélectrique CMB-2D induit une chute de sa fréquence de résonnance à 200 Hertz. En conséquence, aucun mouvement plus rapide que 100 Hertz ne peut être effectué par l'actionneur sans générer d'artéfact de résonnance. Conformément au montage selon l'invention, illustré en figure 20 1, l'actionneur 10 est couplé à une structure de support et de réglage 20 par un moyen de découplage 30. Ce moyen de découplage 30 comprend une masse inertielle 31, sur laquelle est couplé l'actionneur 10, et une couche 32 en matériau à forte capacité d'absorption de vibrations. Plus particulièrement, l'actionneur piézoélectrique 10 est relié 25 à la masse inertielle 31 par l'intermédiaire d'une pièce 11 en plexiglas (PMMA). La pièce 11 en plexiglas a pour but de fournir un montage rigide de l'actionneur piézoélectrique 10 sur la masse inertielle 31. Le choix du plexiglas est lié au fait que cette pièce 11 est relativement complexe, et qu'elle doit pouvoir être usinée à moindre coût. En effet, à chaque fois que l'actionneur 30 piézoélectrique 10 est usagé, il est remplacé avec la pièce 11 en plexiglas.

Dans le contexte de l'invention, d'autres montages rigides sont également possibles (autre matériau, autre configuration spatiale). D'autre part, l'actionneur piézoélectrique 10 comprend une pièce 12 en acier fixée à son extrémité libre. Cette pièce 12 permet d'atteindre 5 une amplitude du mouvement, à la pointe, de 400 pm. Pour des applications spécifiques, cette pièce 12 pourrait être modifiée (ou même remplacée) pour accueillir un outil ou un capteur particulier. La pièce 12 doit présenter, de préférence, une grande rigidité pour transmettre les mouvements de l'actionneur piézoélectrique 10 même à haute 10 fréquence (module de Young - 200000 Mpa) tout en étant très légère, de telle sorte à représenter une masse négligeable devant celle de la masse inertielle (voir ci-après). Cette légèreté relative est aussi utile pour limiter la charge de l'actionneur piézoélectrique 10, et donc son vieillissement prématuré. Ce sont ces différentes raisons qui justifient l'utilisation d'un tube en acier, à la fois 15 léger et très rigide. D'autres matériaux comme le tungsten ou la céramique (tubes d'alumine pure) sont de bons substituts, mais ils sont plus couteux et plus fragiles (pour ce qui est de la céramique). La couche 32 de matériau à forte capacité d'absorption de vibrations est, de préférence, en polymère viscoélastique d'uréthane : le 20 sorbothane. Le Sorbothane est un élastomère viscoélastique. Chaque élastomère de ce type présente un spectre d'absorption des vibrations différent. Dans l'article de Shipkowitz, Chen & Lakes Characterization of high-loss viscoelastic elastomers , (Journal of material science, 23 (1988) 25 3660-3665), une méthodologie de description quantitative de différents élastomères est proposée. En mesurant sur un intervalle de fréquence de 0 à 10000Hz le module de cisaillement (mesure de la déformation induite par les mouvements) ainsi que tan (b) (le facteur de dissipation de l'énergie) des 30 différents élastomères, cet article offre une description assez complète du

comportement des viscoélastiques (tenue mécanique à l'effort et dissipation d'énergie vibratoire). Pour la mise en oeuvre de l'invention, seul tan (b) est un paramètre important, car l'inertie de la masse en plomb garantie une faible amplitude de cisaillement à sa base : le module de cisaillement n'est donc pas un paramètre critique. Le Sorbothane présente un duromètre Shore 00 70 (une certaine rigidité est nécessaire afin que le Sorbothane ne ploie pas sous la charge, donc le Shore 00 30 est exclu, et le Shore 00 50 est acceptable dans le cadre du dispositif présenté). Un matériau à forte capacité d'absorption de vibrations pouvant être substitué au Sorbothane (de duromètre supérieur ou égal) peut être envisagé, par exemple pour améliorer la tenue mécanique du support de l'actuateur. Ce matériau de substitution doit présenter facteur de dissipation d'énergie tan(b) suffisant. Les valeurs correspondant au Sorbothane Shore 00 70 sont les suivantes (source : Sorbothane inc.) : Frequence (Hz) 5 15 30 50 100 tan(b) 0.56 0.6 0.59 0.55 0.53 Le matériau de substitution devrait présenter des valeurs de 20 tan (b) pour les fréquences supérieures à 1O0Hz, semblables à celles du Sorbothane Shore 00 50 ou Shore 00 70. De préférence, le matériau à forte capacité d'absorption de vibrations présente un tan(ô) compris entre environ 0,4 et 0,7, de préférence entre 0,53 et 0,6, pour toute fréquence dans la gamme de fréquence 5-25 1000Hz. La masse inertielle située à la base de l'actuateur a pour fonction de fournir, par son inertie, un point fixe pour le mouvement de l'actuateur malgré le fait que l'ensemble soit fixé sur un matériau viscoélastique. À cet effet, cette masse inertielle doit posséder une masse 30 très grande devant la masse 12 fixée à l'extrémité mobile de l'actuateur.

En effet, à des fréquences d'oscillation élevées (supérieures à 5Hz), l'amplitude de déplacement de l'extrémité mobile résultant de la torsion de l'actionneur est principalement défini par le rapport entre les masses fixées aux deux extrémités de l'actuateur (l'élastomère n'est pas rigide à ces fréquences). De préférence, on choisi la masse inertielle pour que sa masse soit au moins dix fois supérieure à la masse 12 fixée à l'extrémité l'actionneur piézoélectrique mobile. Plus le rapport entre la masse de la masse inertielle et la masse de l'actionneur piézoélectrique est important, plus l'effet technique de point fixe est obtenu. Cependant, ce rapport est limité par le fait que l'ensemble masse inertielle/actionneur piézoélectrique est en suspension sur le moyen de découplage en sorbothane.

De préférence, la masse inertielle est en plomb. Le choix du plomb comme matériau de la masse inertielle est dû à sa forte densité, qui permet de réduire l'encombrement du dispositif. Ceci offre deux avantages substantielles : (1) une réduction du bras de levier exercé sur le moyen de découplage en élastomère par la masse du fait de sa faible longueur, et (2) une réduction de l'encombrement général du dispositif. Il serait parfaitement envisageable de remplacer le plomb par le cuivre ou l'acier (qui sont seulement un peu moins denses) ou un alliage de masse volumique supérieure à 5000 kg.m"3. Les valeurs des différents paramètres indiqués (masse, duromètre, tan (b)) sont valables pour des actionneurs de type fléchisseur de 37 mm de long environs. Par exemple, si l'actionneur est plus long, sa fréquence de résonance est abaissée ; si l'actionneur est plus court, sa fréquence de résonance est plus élevée et il faut modifier le dispositif pour obtenir le même effet technique en ajustant les paramètres précités.

Essentiellement, pour des actionneurs de 27 à 47 mm de long, il est envisageable de simplement ajuster la longueur de la masse

inertielle de telle sorte que le système actionneur/masse inertielle présente une fréquence de résonance égale à celle du système décrit en détail ci-après. Pour des actionneurs qui s'écartent de ces longueurs, les ajustements des différentes caractéristiques du dispositif devront être plus nombreux. La couche de matériau 32 est fixée à la structure de support et de réglage 20. Le moyen de découplage 30 permet une activation de l'actionneur fléchisseur à une fréquence supérieure à 100 Hertz et jusqu'à 1000 Hertz sans phénomène de résonnance. La structure de support et de réglage 20 comprend une rotule 21 bloquée en rotation sur un stylet 22. Ce dernier est fixé sur un micromanipulateur 23 permettant une translation monoaxiale du stylet 22. Un exemple de micromanipulateur particulièrement intéressant pour la mise en oeuvre de l'invention est le micromanipulateur 15 UL-1C-P fabriqué par la société NARISHIGE (27-9, Minamikarasuyama 4-chomen Setagaya-ku, Tokyo 157-0062, Japan). Ce micromanipulateur permet une translation monoaxiale avec un débattement de 15 millimètres. Cette translation repose sur un roulement à billes dont le serrage peut être réglé par une série de vis qui ajuste la pression s'exerçant sur les billes du 20 roulement dans leur cavité. La structure de support et de réglage 20 est illustrée, en coupe, à la figure 2. Selon l'invention, le stylet 22 comprend un corps tubulaire 22a logeant un moyen de compression réglable tel qu'un ressort 22b, pour la 25 compression d'un tampon 22c en matériau élastique contre la bille de la rotule 21. Le tampon 22c est, de préférence, en caoutchouc. L'extrémité du ressort 22b en contact avec le tampon 22c est fixée à un axe fileté 22d en prise avec un pas de vis porté par une molette de réglage 22e. 30 Lorsque l'on souhaite modifier la position de l'actionneur 10 selon les axes X et Y (figure 3a), la bille de la rotule 21 doit être mise en libre 10

rotation. Pour se faire, l'utilisateur serre la molette de réglage 22e qui est en prise avec l'axe fileté 22d. Le serrage de la molette bande le ressort afin qu'il cesse d'exercer sa pression sur le tampon de caoutchouc 22c. Une fois que la position de la rotule est réglée selon les axes X et Y, l'utilisateur desserre totalement la molette de serrage de telle sorte que le ressort 22b exerce, à nouveau, précisément la même pression sur la bille de la rotule que celle qu'il exerçait avant le réglage. Cette pression est constante puisqu'elle dépend uniquement de la constante de raideur du ressort. De cette manière, la pression exercée sur la bille est indépendante du serrage de la molette de réglage : il suffit que celle-ci soit totalement desserrée pour que le ressort exerce la même force contre la rotule. La pression sur la bille de la rotule est donc reproductible et n'engendre pas de modification de la fonction de transfert. Autrement dit, grâce à la structure selon l'invention, la fonction 15 de transfert de cette rotule est ainsi préservée au cours des cycles de serrage/desserrage liés aux ajustements d'angles. Afin de s'assurer que la pièce 22c en caoutchouc n'est pas entraînée en rotation par l'axe fileté (ce qui induirait une rotation de la bille et donc de l'actionneur), un dispositif de blocage en rotation (non représenté) de 20 l'axe fileté est, de préférence, prévu dans le stylet. Grâce à cette structure, la position de l'actionneur peut être réglée selon deux axes X et Y. La position de l'actionneur selon l'axe Z est réglable grâce au micromanipulateur 23. 25 La structure de support et de réglage 20 de l'exemple précédent comprend deux éléments : un micromanipulateur permettant une translation monoaxiale (déplacement selon l'axe Z) et une rotule (rotation en deux dimensions selon les deux axes X et Y). Ces deux éléments ont la propriété d'être stables pour leur fonction de transfert dans toute leur étendue 30 de positionnement. Leur combinaison dans le montage illustré aux figures 1 et 2 est donnée à titre d'exemple. Cependant, l'invention couvre également les

supports permettant une translation triaxiale, c'est-à-dire un réglage de la position de l'actionneur piézoélectrique selon les trois axes X, Y et Z. Grâce à la structure de support et de réglage selon l'invention, il devient possible d'appliquer, avec une grande souplesse d'utilisation, la technique de préfiltrage par fonction de transfert inverse, alors même que la structure comprend des éléments mobiles. La figure 4 illustre le déphasage et le gain du dispositif de déplacement micrométrique selon l'invention, avec ou sans filtrage de la commande par la fonction de transfert inverse. Cette figure montre que le filtrage systématique de la commande par la fonction de transfert inverse permet de parvenir à un gain constant et un déphasage nul sur toute la gamme de fréquences de l'actionneur (5 à 1000 Hertz). Cette souplesse d'utilisation vient du fait que la fonction de transfert des éléments mobiles selon l'invention est conservée aux cours des cycles de serrage/desserrage liés aux ajustements d'angles de l'actionneur piézoélectrique et à l'ajustement de position du micromanipulateur 23. Ceci est illustré en figure 5. La figure 5a représente un histogramme de la corrélation entre une commande et un mouvement de l'actionneur pour différentes positions du support. Les barres d'histogramme en hachures représentent l'indice de corrélation de Pearson pour dix réglages en angles différents de la rotule. Les barres d'histogramme en grisé représentent l'indice de corrélation de Pearson pour neuf réglages en translation différents du micromanipulateur. La figure 5b illustre les mouvements superposés de l'actionneur piézoélectrique pour quinze positions différentes de la rotule et de translation avec une commande identique. Ces deux figures 5a et 5b montrent donc que le dispositif de déplacement micrométrique selon l'invention présente une excellente reproductibilité de mouvement : le coefficient de corrélation de Pearson moyenne entre la commande employée pour les tests et le mouvement

mesuré est de 0,998. En outre, la correction par la fonction de transfert est stable : la corrélation minimale observée est de 0,995. D'une manière générale, la technique de préfiltrage par fonction de transfert inverse comprend, dans un premier temps, une étape d'acquisition de la fonction de transfert de l'actionneur (gain et déphasage jusqu'à la première fréquence de résonnance). Cette étape est réalisée, de préférence, à l'aide d'un télémètre laser, tel que le télémètre Micro-Epsilon LD1605 Type 0.5. Le dispositif de déplacement micrométrique selon l'invention comprend, de préférence, un logiciel de contrôle qui pilote l'acquisition de la position de l'actionneur à l'aide du télémètre laser pendant que des commandes sinusoïdales balayant le spectre de fréquence sont transmises à l'actionneur. Cette étape permet de calculer la fonction de transfert de l'actionneur. Dans une deuxième étape, le logiciel de contrôle filtre les commandes envoyées à l'actionneur à l'aide de la fonction de transfert inverse (voir la figure 3b). Plus particulièrement, le procédé selon l'invention comprend une phase d'initialisation comprenant les étapes suivantes : a) activer l'actionneur piezoélectrique à une fréquence d'activation initiale ; b) acquérir le gain et le déphasage de l'actionneur à cette fréquence ; c) incrémenter ou décrémenter la fréquence d'activation de l'activateur ; d) répéter les étapes b) et c) jusqu'à ce que la fréquence d'activation soit égale à une première fréquence de résonnance de l'actionneur ; e) établir la fonction de transfert de l'activateur à l'aide des gains et déphasages acquis à l'étape b). La phase d'initialisation est alors suivie d'une phase d'activation de l'actionneur piézoélectrique comprenant la transmission à l'actionneur d'un signal de commande pré-filtré par l'inverse de la fonction de transfert.

Lors de l'étape a), la fréquence initiale peut être arbitraire. Elle peut donc être située à l'intérieure de la gamme de fonctionnement de l'actionneur. Ainsi, il peut être nécessaire, lors de l'étape c) d'incrémenter ou de décrémenter la fréquence d'activation de l'activateur pour aboutir à la première fréquence de résonnance de l'actionneur puis établir la fonction de transfert. Le préfiltrage par la fonction de transfert inverse annule les effets de la fonction de transfert de l'actionneur (figure 3b), ce qui permet de parvenir à un gain égal et un déphasage nul sur l'ensemble de la gamme d'utilisation de l'actionneur. La structure de l'actionneur décrite en relation avec les figures 1 et 2 permet des réglages mécaniques de position et de rotation de l'actionneur 10, tout en assurant la stabilité de la fonction de transfert. Puisqu'il n'est plus nécessaire de recommencer l'initialisation précédemment décrite à chaque réglage mécanique, l'utilisation de la technique de filtrage par la fonction de transfert inverse peut être utilisée et l'actionneur selon l'invention présente un gain homogène et un déphasage nul sur l'ensemble de sa gamme d'utilisation, contrairement aux actionneurs de l'État de la Technique.

Les courbes illustrées en figures 4 et 6 montrent que ce filtrage permet d'obtenir un gain constant et un déphasage nul entre la commande effective et le déplacement de l'actionneur. Lorsqu'un micromanipulateur 23 est utilisé pour la translation monoaxiale du stylet 22, on s'aperçoit que la translation du stylet déforme la fonction de transfert de l'actionneur de façon différente suivant son réglage en position. En effet, on observe un rebond en amplitude dans la fonction de transfert. Selon le réglage, ce rebond est présent à des fréquences différentes. Les inventeurs se sont aperçus qu'un réglage de la pression 30 exercée par les vis de réglage sur le roulement à billes du micromanipulateur

permet de moduler la position en fréquence du rebond présent dans la fonction de transfert de l'actionneur. De nombreuses translations à un axe présentent un chariot monté mobile dans une coulisse grâce à roulement à bille. Un mécanisme de réglage permet de réguler la pression qui s'exerce sur les billes en plusieurs points le long de l'axe de translation. Ceci permet de pouvoir moduler la friction subie par le chariot lorsqu'il se déplace le long de l'axe de translation, dans le but de moduler la facilité de translation et d'assurer la stabilité du positionnement statique du chariot. L'invention détourne ce dispositif de son but initial et l'utilise pour obtenir une même fonction de transfert de l'actuateur piezoélectrique pour les différentes positions de la translation grâce à la modulation de la pression exercée par les vis disposées le long de l'axe Le procédé selon l'invention peut être appliqué à tout dispositif à roulement à bille présentant un dispositif permettant d'exercer une pression réglable en des points multiples le long du roulement à bille. Le procédé de mise en oeuvre du dispositif de déplacement micrométrique selon l'invention, comprenant un micromanipulateur monoaxial, comprend une étape de réglage de la pression exercée par chaque vis sur les billes du roulement à billes afin d'égaliser la position du rebond de la fonction de transfert pour toutes les positions de translation. Pour cela, une commande sinusoïdale de fréquence constante et proche de la fréquence moyenne du rebond est envoyée en continu à l'actionneur. Une mesure continue de la position de l'actionneur est effectuée, par exemple à l'aide du télémètre laser branché sur un oscilloscope. En ajustant la pression effectuée par chaque vis, il est possible de fixer l'amplitude du mouvement de l'actionneur pour l'ensemble des positions de la translation, ce qui revient à fixer la position du rebond sur l'ensemble de la trajectoire. La fonction de transfert de l'ensemble actionneur/support est ainsi fixée à travers tout son espace de réglage, à savoir la translation et la rotation.

Grâce à ce procédé selon l'invention, la stabilité de la reproduction de mouvements pour des positions en translation différentes est assurée. Comme le montre la figure 6, la relation 5 commande/mouvement du dispositif de déplacement micrométrique selon l'invention est linéaire y compris pour une commande présentant des fréquences très élevées (figure 6b). Par ailleurs, la figure 7 montre que l'utilisation spécifique de l'actionneur CMB-2D (qui possède deux axes de liberté), dans le dispositif 10 selon l'invention, n'influence pas l'indépendance du mouvement des deux axes de l'actionneur 10. Autrement dit, un mouvement effectué sur un axe ne vient pas interférer avec un mouvement effectué sur l'autre axe. Plus particulièrement, le mouvement résultant d'une commande sur un seul axe a été comparé à la sommation du mouvement 15 résultant de la même commande sur le même axe ajouté à une commande en phase puis en antiphase sur l'autre axe. Ce mouvement résultant, qui devrait être influencé par une interaction entre les mouvements sur l'un et l'autre des axes, est très proche du mouvement issu de la commande sur un seul axe. Ainsi, la figure 7 illustre l'absence d'effet d'un mouvement sur 20 l'axe Y sur le mouvement enregistré sur l'axe X. Les deux axes de déplacement du dispositif de déplacement micrométrique selon l'invention sont donc indépendants. On obtient ainsi un actionneur piézoélectrique de type fléchisseur réglable selon les trois axes X, Y et Z dans une bande de 25 fréquence large, allant jusqu'à 1000 Hertz et possédant des caractéristiques stables pour des ajustements. Le dispositif de déplacement micrométrique selon l'invention permet une utilisation pour le positionnement de précision : réalisation de mouvements précis de l'ordre du micromètre à la centaine de micromètres 30 d'un objet de faible inertie.

En outre, le mode de réalisation illustré est économique à fabriquer et présente un faible encombrement car il ne nécessite aucun capteur de position monté de façon permanente sur l'actionneur (contrairement à l'État de la Technique). Seule, l'étape de calibration initiale nécessite un capteur de position (télémètre laser).

Claims (12)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif de déplacement micrométrique caractérisé en ce qu'il comprend : - un actionneur piézoélectrique de type fléchisseur, - lié à une structure de support et de réglage, - par l'intermédiaire d'un moyen de découplage comprenant : o une masse inertielle o dont une partie est fixée à l'actionneur piézoélectrique, o une autre partie étant fixée à une couche solidaire de la structure de support et de réglage, cette couche étant en matériau à forte capacité d'absorption des vibrations, présentant un facteur de dissipation de l'énergie tan (b) compris entre 0,4 et 0,7, de préférence entre 0,53 et 0,6, dans une gamme de fréquence de 5 à 1000Hz.
2. 2. Dispositif de déplacement micrométrique selon la revendication 1, dans lequel le matériau à forte capacité d'absorption des vibrations est un polymère viscoélastique d'uréthane (sorbothane).
3. 3. Dispositif de déplacement micrométrique selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel la masse inertielle est en un matériau choisi parmi le plomb, le cuivre, l'acier, et un alliage de masse volumique supérieure à 5000 kg.•m-3.
4. 4. Dispositif de déplacement micrométrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la structure de support et de réglage comprend : - une rotule de fixation du moyen de découplage, et - une translation monoaxiale formée par un stylet tubulaire comprenant : o une chambre de réception de la rotule, o un tampon de blocage en rotation de la rotule dans sa 30 chambre de réception, o un moyen réglable de compression du tampon contre la rotule.
5. 5. Dispositif de déplacement micrométrique selon la revendication 4, dans lequel le moyen réglable de compression du tampon contre la rotule comprend un ressort (22b) dont une extrémité, destinée à être en contact avec le tampon lors du blocage de la rotule, est fixée à un axe fileté (22d) en prise avec un pas de vis porté par une molette de réglage (22e), de telle sorte que lorsque la position de la rotule doit être modifiée, le serrage de la molette bande le ressort afin qu'il cesse d'exercer sa pression sur le tampon de caoutchouc (22c), et lorsque la rotule doit être bloquée, le desserrage complet de la molette de réglage relâche pleinement le ressort (22b) qui compresse le tampon de caoutchouc (22c) contre la rotule avec une force sensiblement égale à la constante de raideur du ressort.
6. 6. Dispositif de déplacement micrométrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la structure de support et de réglage comprend un micromanipulateur en translation monoaxiale.
7. 7. Dispositif de déplacement micrométrique selon la revendication 6, dans lequel le micromanipulateur en translation monoaxiale comprend un roulement à billes muni d'au moins deux billes blocables en rotation par serrage au moyen de vis de serrage.
8. 8. Procédé de mise en oeuvre du dispositif de déplacement micrométrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend une phase d'activation de l'actionneur piezoélectrique comprenant la transmission à l'actionneur d'un signal de commande à une fréquence comprise entre 5 et 1000 Hertz, de préférence, comprise entre 100 et 1000 Hertz ;
9. 9. Procédé selon la revendication précédente pour la mise en oeuvre du dispositif de déplacement micrométrique selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend une phase d'initialisation comprenant les étapes suivantes : a) activer l'actionneur piezoélectrique à une fréquence d'activation initiale ; b) acquérir le gain et le déphasage de l'actionneur à cette fréquence ; c) incrémenter ou décrémenter la fréquence d'activation de l'activateur ; d) répéter les étapes b) et c) jusqu'à ce que la fréquence d'activation soit égale à une première fréquence de résonnance de l'actionneur ; e) établir la fonction de transfert de l'activateur à l'aide des gains et déphasages acquis à l'étape b) ; la phase d'initialisation étant suivie d'une phase d'activation de l'actionneur piezoélectrique comprenant la transmission à l'actionneur d'un signal de commande pré-filtré par l'inverse de la fonction de transfert.
10. 10. Procédé selon la revendication précédente, pour la mise en oeuvre du dispositif de déplacement micrométrique selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de réglage de la pression exercée sur chaque bille du roulement à billes par une vis, afin d'égaliser la position d'un rebond de la fonction de transfert pour toutes les positions de translation.
11. 11. Procédé selon la revendication précédente, comprenant les étapes suivantes : envoyer en continu à l'actionneur (10) une commande sinusoïdale de fréquence constante et proche de la fréquence moyenne du rebond de la fonction de transfert ; mesurer de manière continue la position de l'actionneur ; ajuster la pression effectuée par chaque vis, afin de fixer l'amplitude du mouvement de l'actionneur pour l'ensemble des positions de la translation.
12. 12. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel l'étape de mesure de la position de l'actionneur est réalisée à l'aide d'un télémètre laser branché sur un oscilloscope.